Impatto della bassa tensione di ossigeno sulla fisiologia e sul potenziale di differenziazione di cellule staminali derivate dalla papilla apicale dentale umana

During the last decades, research studies proposed stem cells as an interesting tool for regenerative medicine purposes. To exploit stem cells efficiently, deep theoretical and practical knowledge of the parameters that regulate their physiology is essential. Stem cell research focuses on different models, like Embryonic Stem Cells, induced Pluripotent Stem Cells or Adult Stem Cells. Among these, Mesenchymal Stem Cells (MSCs) are very promising. Indeed, they display multipotent differentiation capacity, and they do not have limitations or political/ethical restrictions regarding their clinical use. MSCs have an expanded distribution in adult tissues, including those of dental origin. A unique population of MSCs referred as SCAPs (Stem Cells from Apical Papilla), was discovered in the apical papilla of human immature wisdom teeth, usually extracted in teenagers for orthodontic reasons. SCAPs are considered very attractive for tissue repair due to their availability, high proliferation rate and their capability to differentiate in vitro towards osteogenic, adipogenic, chondrogenic and neurogenic lineages. Considering that adult stem cells, as SCAPs, are assumed to originate from stem cell niches with low oxygen concentration (3-8% instead of 21% of the ambient air), it is believed that this parameter is very important for stem cells properties. Our project was focused on the evaluation of the impact of low oxygen tension on physiology and differentiation potential of SCAPs. Since it has been previously proven an advantage to amplify SCAPs under low oxygen tension (unpublished previous results of the group), we wanted to further analyze the properties of these cells in this particular environment. SCAPs from the same patient were isolated and carried on, at 3% of oxygen concentration, condition that by convention we called hypoxia, or at ambient oxygen tension, condition called normoxia. Different experiments in the two oxygen conditions were performed to compare their impact on SCAPs properties, including analysis of their phenotype, colony forming unit efficiency, expression of stemness genes and differentiation potential. Our results suggest that SCAPs isolated and cultured in hypoxia, besides presenting higher proliferation capacity, seemed to have higher colony forming unit efficiency and higher expression of a new membrane marker CD49f that we investigated. Moreover, considering that in regenerative medicine it could be advantageous to trace transplanted stem cells after their engraftment and during their differentiation, we attempted to develop a tool to follow osteogenic differentiation of SCAPs exploiting fluorescence.

Negli ultimi decenni, la ricerca ha proposto le cellule staminali come uno strumento interessante per scopi di medicina rigenerativa. Per sfruttare efficacemente le cellule staminali, è essenziale una profonda conoscenza teorica e pratica dei parametri che regolano la loro fisiologia. La ricerca sulle cellule staminali si concentra su diversi modelli, come le cellule staminali embrionali, le cellule staminali pluripotenti indotte o le cellule staminali adulte. Tra queste, le cellule staminali mesenchimali (MSC) sono molto promettenti. In effetti, mostrano una capacità di differenziazione multipotente e non hanno limitazioni o restrizioni politiche / etiche riguardo al loro uso clinico. Le MSC hanno una distribuzione estesa nei tessuti adulti, compresi quelli di origine dentale. Una popolazione unica di MSC riferita come SCAP (Stem Cells from Apical Papilla), è stata scoperta nella papilla apicale di denti del giudizio immaturi, di solito estratti in adolescenti per ragioni ortodontiche. Le SCAP sono considerate molto interessanti per la riparazione dei tessuti grazie alla loro disponibilità, all'elevato tasso di proliferazione e alla loro capacità di differenziare in vitro verso linee osteogeniche, adipogeniche, condrogeniche e neurogeniche. Considerando che si ritiene che le cellule staminali adulte, come le SCAP, provengano da nicchie caratterizzate da bassa concentrazione di ossigeno (3-8% invece del 21% dell'ambiente), si ritiene che questo parametro sia molto importante per le proprietà delle cellule staminali. Il nostro progetto si è concentrato sulla valutazione dell'impatto della bassa tensione di ossigeno sulla fisiologia e sul potenziale di differenziazione delle SCAP. Poiché è stato dimostrato in precedenza un vantaggio ad amplificare le SCAP a bassa tensione di ossigeno (risultati precedenti non pubblicati dal gruppo), volevamo analizzare ulteriormente le proprietà di queste cellule in questa particolare condizione. SCAP dallo stesso paziente sono state isolate e coltivate, al 3% di ossigeno, condizione che per convenzione abbiamo chiamato ipossia, o alla tensione di ossigeno ambientale, condizione chiamata normossia. Sono stati condotti diversi esperimenti nelle due condizioni di ossigeno per confrontare il loro impatto sulle proprietà delle SCAP, inclusa l'analisi del loro fenotipo, l'efficienza di formazione di colonie, l'espressione dei geni associati a staminalità e il potenziale di differenziazione. I nostri risultati suggeriscono che SCAP isolate e coltivate in ipossia, oltre a presentare una maggiore capacità di proliferazione, sembravano avere una maggiore efficienza di formazione di colonie e una maggiore espressione di un nuovo marker di membrana CD49f che abbiamo studiato. Inoltre, considerando che nella medicina rigenerativa potrebbe essere vantaggioso tracciare cellule staminali trapiantate dopo il loro attecchimento e durante la loro differenziazione, abbiamo cercato di sviluppare uno strumento per seguire la differenziazione osteogenica delle SCAP sfruttando la fluorescenza.